04 接口及中断技术

北京理工大学生物医学工程系CPUI/O寻址外设可以有两种方式。1．存储器对应输入输出方式（统一编制方式）；2．端口寻址的输入输出方式；在这种方式中，把一个外设端口作为存储器的一个单元来对待，故每一个外设端口占有存储器的一个地址。从外部设备输入一个数据，作为一次存储器读的操作；而向外部设备输出一个数据，则作为一次存储器写的操作（1）CPU对外设的操作可使用全部的存储器操作指令，故指令多，使用方便。如可以对外设中的数据（存于外设的寄存器中）进行算术和逻辑运算，进行循环或移位等。（2）内存和外设的地址分布图是同一个。（3）不需要专门的输入输出指令以及区分是存储器还是I/O操作的控制信号。缺点是：外设占用了内存单元，使内存容量减小。在这种工作方式中：CPU有专门的I/O指令，用地址来区分不同的外设。但要注意实际上是以端口（Port）作为地址的单元，因为一个外设不仅有数据寄存器还有状态寄存器和控制命令寄存器，它们各需要一个端口才能加以区分，故一个外设往往需要数个端口地址。CPU用地址来选择外设。要寻址的外设的端口地址，显然比内存单元的地址要少得多。所以，在用直接寻址方式寻址外设时，它的地址字节，通常总要比寻址内存单元的地址少一个字节，因而节省了指令的存储空间，缩短了指令的执行时间。1．数据（Data）在微型机中，数据通常为8位、16位或32位。它大致可以分为三种基本类型：（1）数字量（2）模拟量（3）开关量2．状态信息（Status）在输入时，有输入设备是否准备好（Ready）的状态信息；在输出时，有输出设备是否有空（Empty）的状态信息，若输出设备正在输出，则以忙（Busy）指示等等。3.控制信息（Control）控制输入输出设备启动或停止等等。状态信息和控制信息与数据是不同性质的信息，必须要分别传送。但在大部分微型机中（8086也如此），只有通用的IN和OUT指令，因此，外设的状态也必须作为一种数据输入；而CPU的控制命令也必须作为一种数据输出。所以，一个外设往往要几个端口地址，CPU寻址的是端口，而不是笼统的外设。通常I/O接口电路的工作速度较慢，往往要插入等待状态。CPU与外设的信息交换称为通信（Communication）。基本的通信方式有两种：并行通信——数据的各位同时传送；串行通信——数据一位一位顺序传送。查询传送方式中断传送方式DMA方式CPU与I/O设备的工作往往是异步的，很难保证当CPU执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备好了；而当CPU执行输出时，外设的寄存器（用于存放CPU输出数据的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询一下外设的状态，当外设准备就绪了才传送；若未准备好，则CPU等待。在上述的查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，当外设没有准备好时，CPU要等待，不能进行别的操作，这样就浪费了CPU的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个过程中，CPU可以执行大量的指令。为了提高CPU的效率，可采用中断的传送方式：在输入时，若外设的输入数据已存入寄存器；在输出时，若外设已把上一个数据输出，输出寄存器已空，由外设向CPU发出中断请求，CPU就暂停原执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（中断服务），待输入输出操作完成后即返回，CPU再继续执行原来的程序。这样就可以大大提高CPU的效率，而且允许CPU与外设（甚至多个外设）同时工作中断传送仍是由CPU通过程序来传送，每次要保护断点，保护现场需用多条指令，每条指令要有取指和执行时间。这对于一个高速I/O设备，以及成组交换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显得速度太慢了。所以希望用硬件在外设与内存间直接进行数据交换（DMA），而不通过CPU，这样数据传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。但是，通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线（例如IO/、、等）是由CPU管理的。在DMA方式时，就希望CPU把这些总线让出来（即CPU连到这些总线上的线处于第三态——高阻状态），而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束等信号。这些都是由硬件实现的。DMAC是控制存储器和外部设备之间直接高速地传送数据的硬件电路，它应能取代CPU，用硬件完成各项功能。具体地说应具有如下功能：（1）能接收外设的请求，向CPU发出DMA请求信号。（2）当CPU发出DMA响应信号之后，接管对总线的控制，进入DMA方式。（3）能寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址。（4）能向存储器和外设发出相应的读/写控制信号。（5）能控制传送的字节数，判断DMA传送是否结束。（6）在DMA传送结束以后，能结束DMA请求信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。各种DMAC一般都有两种基本的DMA传送方式：（1）单字节方式：每次DMA请求只传送一个字节数据，每传送完一个字节，都撤除DMA请求信号，释放总线。（2）字节（字符）组方式：每次DMA请求连续传送一个数据块，待规定长度的数据块传送完了以后，才撤除DMA请求，释放总线。